专利名称：采用硅支撑梁的红外热电堆探测器阵列结构及制作方法
技术领域：
本发明涉及一种采用硅支撑梁的红外热电堆探测器阵列结构及制作方法，特别适用于大批量高密度的红外热电堆探测阵列的制造。本发明属于红外探测器领域。
背景技术：
在工业、农业、医学、交通等各个行业和部门，红外成像、红外测温、红外测湿、红外理疗、红外检测、红外报警、红外遥感、红外防伪、红外加热已经成为各行业争相选用的先进技术。在军事应用中，红外成像、红外侦察、红外跟踪、红外制导、红外预警、红外对抗等在现代战争和未来战争中都是必不可少的战术和战略手段。红外探测器是红外仪器中最基本的关键部件，随着红外技术应用的日益广泛，对红外探测器本身也提出了更高的要求。热电堆红外探测器是利用两种不同材料构成闭合回路产生的塞贝克效应制作的一类热红外探测器。早期的热电堆红外探测器是利用掩膜真空镀膜的方法，将热偶材料沉积到塑料或氧化铝衬底上获得的，器件的尺寸大，不易批量生产。
从80年代以来，微机械电子技术逐渐成功应用在热电堆红外探测器的制作中。与早期的热电堆红外探测器相比，微机械热电堆红外探测器的优点在于一、具有高的灵敏度，宽松的工作环境与非常宽的频谱响应；二、与标准集成电路工艺兼容，成本低廉且适合批量生产。
目前较流行的红外热堆探测器结构，如图一所示。其支撑结构为采用(100)硅片，利用各向异性腐蚀方法得到的硅杯，以大约1微米厚的氮化硅-氧化硅-氮化硅(Si3N4-SiO2-Si3N4)三明治层复合膜为支撑膜，在其上用两种不同热电特性材料(热偶)沉积形成热偶对。在阵列中，如果采用这种结构，则由于器件间存在大量硅框架，将严重限制器件间距，导致器件尺寸较大。下面我们依据图一进行简单的计算。
按传统腐蚀工艺所制备的微机械红外热堆探测器，考虑(100)与腐蚀停止面(111)晶面夹角θ(θ＝54.7°)，假设硅片厚度为h，则膜区的间距y必须符合以下要求y＞2×(h/tgθ)，即y＞1.416×h以普通4英寸(100)硅片为例，一般其厚度为450微米左右，则传统结构的微机械红外热堆探测器单元间距就必须大于638微米，这样当阵列器件的单元尺寸在数百微米时，上述结构导致的占空比将极小，完全不能满足器件要求。
发明内容
本发明的目的在于提供一种采用硅支撑梁结构的微机械红外热堆探测器阵列结构及制作方法。
本发明之关键在于在阵列各单元间以支撑梁取代传统的硅框架结构，周边保持硅框架不变膜区的间距可在20μm到700μm之间。本发明之关键在于利用无掩膜腐蚀方法实现器件单元间的支撑梁结构。其基本原理如图3所示按传统腐蚀工艺，以氧化硅为掩膜对(100)硅片进行腐蚀，得到的是侧壁为(111)的慢腐蚀面，其与底层(100)面夹角为57.4°。在腐蚀到一定深度后，去除氧化硅掩膜，继续腐蚀，此时由于削角效应，将出现(311)快腐蚀面，对(111)和(100)面同时削蚀。当(111)面完全消失后，(311)面与(100)直接相交，其夹角α为25.24°。继续腐蚀时，(311)面会沿侧面继续腐蚀，由此得到了(111)面与底层(100)面的理论交点和(311)面与底层(100)面的交点的一个距离a。因此，利用无掩膜腐蚀技术就可以有效地减小膜区的尺寸，得到如图二所示的本发明热堆阵列结构。本发明可采用如下工艺实施1.取(100)双抛硅片进行氧化后，以低压化学气相沉积(LPCVD)的方法双面沉积氮化硅层。
2.在硅片正面用低压化学气相沉积(LPCVD)的方法沉积多晶硅层，再用离子注入的方法或扩散的方法进行硼掺杂，光刻出多晶硅条。
3.对多晶硅条进行氧化，在此氧化层上光刻引线孔图形，用氢氟酸腐蚀氧化硅形成引线孔。在正面沉积金属层，并光刻出金属线条，金属条和掺杂的多晶硅条通过引线孔实现欧姆接触，形成热偶对，成为热堆的主要构成。
4.在背面的氮化硅上光刻出热堆阵列腐蚀窗口，去除窗口内的氮化硅。在背面所暴露出的氧化硅上光刻单元腐蚀窗口，去除窗口内的氧化硅。
5.使用各向异性腐蚀液，如四甲基氢氧化铵(TMAH)或氢氧化钾(KOH)进行腐蚀，腐蚀到一定深度后，去除背面的氧化硅，进行无掩膜腐蚀，最终得到微机械红外热堆探测器阵列。
所述硅衬底清洗式采用半导体行业常的清洗方法。
所述的硅衬底清洗后热氧化温度1100-1180℃，生成氧化层厚度0.5-0.8微米；所述的在硅片正面沉积多晶硅层的厚度0.6-1.0微米；
所述的多晶硅条热氧化温度为1050-1150℃，生成氧化层厚度为0.2-0.35微米，在表面沉积金属线为铬-金线条。
所述的各向异性腐蚀液为四甲基氢氧化铵(TMAH)或氢氧化钾(KOH)，浓度为40-60％，腐蚀温度为30-50℃。
本发明克服了传统结构中大量硅框架限制，在维持基本结构的情况下，保持了冷端良好的散热性，使得制造出来的微机械热电堆红外探测器单元间距缩小，大大提高了器件占空比，同时也提高了器件的成品率。具有工艺简单、一致性好、重复性好、易批量生产等优点。特别适用于制作大批量高密度的红外热电堆探测陈列。
图1为传统腐蚀工艺所制备的微机械热电堆红外探测器阵列示意图。
图2为本发明之具有硅悬梁结构的微机械热电堆红外探测器阵列示意图。
图3为无掩膜腐蚀原理示意图。
图4为图2所示微机械热电堆红外探测器阵列的制造方法工艺示意图。
图中(a)在衬底上生长氧化硅和氮化硅；(b)生长多晶硅进行硼掺杂后，光刻出图形；(c)氧化多晶硅条，光刻并腐蚀出引线孔。再沉积金属层，并光刻出图形，进行欧姆接触后，形成热偶对。(d)在背面氮化硅上光刻出氮化硅腐蚀窗口。(e)在背面所暴露出的氧化硅上光刻单元腐蚀窗口，去除窗口内的氧化硅。(f)使用各向异性腐蚀液腐蚀到一定深度后，去除背面的氧化硅；(g)进行无掩膜腐蚀，最终得到微机械红外热堆探测器阵列。
图5为实施例1的背面腐蚀过程图。
图6为实施例2的背面腐蚀过程图。
图中，各数字所代表的含义分另为1-复合膜区，2-硅基体，3-硅框架，4-硅支撑梁，5-氧化硅，6-氮化硅，7-多晶硅，8-金属。
实施例1利用4英寸(100)硅片，厚度为h＝450微米，用于制备具有硅悬梁结构的微机械热电堆红外探测器阵列，阵列结构为封闭膜大小为800×800微米，单元间距为300微米。具体制造方法为(1)、将(100)单晶硅片2清洗后，经1150℃氧化，形成0.6微米氧化层5。再用低压化学气相沉积(LPCVD)的方法双面沉积0.12微米的氮化硅层6。(如图4a)(2)、用LPCVD在硅片表面沉积0.8微米的多晶硅层。对多晶硅层进行注硼掺杂。光刻多晶硅条图形7。(如图4b)(3)、在多晶硅条表面用热氧化(1100℃)的方法形成一层厚度为0.2-0.35微米的氧化层5，在此氧化层上光刻引线孔。然后整个表面溅射铬-金(厚度为0.8微米)，光刻铬-金线条8。(如图4c)(4)、在背面光刻阵列腐蚀窗口，干法刻蚀窗口中的氮化硅6。(如图4d)(5)、在背面阵列腐蚀窗口上套刻单元膜区腐蚀窗口，用氢氟酸去除窗口中的氧化硅5。(如图4e)(6)、用60℃、40％KOH溶液对硅片背面进行腐蚀。当腐蚀深度为h0＝200微米时，先暂停腐蚀，用氢氟酸溶液去除背面氧化硅，清洗后继续腐蚀。继续腐蚀深度为d0＝110微米时，(111)面完全消失。继续腐蚀到硅片穿通，由于(311)面的侧蚀，得到所需尺寸的复合膜区1。膜区的间距y为20-700μm之间完成微机械热电堆红外探测器阵列的制作。(如图5)
实施例2利用3英寸(100)硅片，厚度为h＝300微米，用于制备具有硅悬梁结构的微机械热电堆红外探测器阵列，阵列结构为封闭膜大小为500×500微米，单元间距为300微米，具体制造方法为(1)、将(100)单晶硅片2清洗后，经1150℃氧化，形成0.6微米氧化层5。再用低压化学气相沉积(LPCVD)的方法双面沉积0.12微米的氮化硅层6。(如图4a)(2)、在硅片正反面制作热堆图形，方法步骤同实施例1中步骤(3)-(5)。
(3)、用50℃、50％TMAH溶液对硅片背面进行腐蚀。当腐蚀深度为h0＝200微米时，先暂停腐蚀，用氢氟酸溶液去除背面氧化硅，清洗后继续腐蚀。当继续腐蚀深度为d0＝100微米时，硅片恰好穿通，而此时的复合膜区1尺寸比期望值要小。继续腐蚀，依靠(311)面的侧向腐蚀，最终得到所需尺寸的复合膜区1。完成微机械热电堆红外探测器阵列的制作(如图6)。
权利要求
1.一种采用硅支撑梁的红外热电堆探测器阵列结构，其特征在于在阵列各单元间的支撑梁取代传统的框架结构，周边硅框架不变，膜区的间距在20μm到700μm之间。
2.按权利要求1所述的采用硅支撑梁的制作方法，其特征在于具体工艺步骤1)取(100)双抛硅片清洗，进行热氧化形成氧化层后，以低压化学气相沉积的方法双面沉积氮化硅层；2)在硅片正面用低压化学气相沉积的方法沉积多晶硅层，再用离子注入的方法或扩散的方法进行硼掺杂，光刻出多晶硅条；3)对多晶硅条进行氧化，在此氧化层上光刻引线孔图形，用氢氟酸腐蚀氧化硅形成引线孔。在正面沉积金属层，并光刻出金属线条，金属条和掺杂的多晶硅条通过引线孔实现欧姆接触，形成热偶对，成为热堆的主要构成；4)在背面的氮化硅上光刻出热堆阵列腐蚀窗口，去除窗口内的氮化硅，在背面所暴露出的氧化硅上光刻单元腐蚀窗口，去除窗口内的氧化硅；5)使用各向异性腐蚀液，进行腐蚀，腐蚀到一定深度后，去除背面的氧化硅，再进行无掩膜腐蚀，最终得到微机械红外热堆探测器阵列。
3.按权利要求2所述的采用硅支撑梁的制作方法，其特征在于所述的热氧化温度为1150℃，氧化层厚度为0.6微米。
4.按权利要求2所述的采用硅支撑梁的制作方法，其特征在于再硅片正面沉积多晶硅层厚度为0.6-1.0微米。
5.按权利要求2所述的采用硅支撑梁的制作方法，其特征在于多晶硅条热氧化温度1050-1150℃，生成氧化层厚度0.2-0.35微米；在表面沉积的金属线为铬-金线条。
6.按权利要求2所述的采用硅支撑梁的制作方法，其特征在于使用的各向异性腐蚀液为四甲基氢氧化铵或氢氧化钾，浓度为40-60％，腐蚀温度为30-50℃。
全文摘要
本发明涉及一种采用硅支撑梁的红外热电堆探测器阵列结构，其特征在于利用硅支撑梁结构取代原有各个器件单元间的硅框架以实现高密度的红外热电堆探测器阵列结构。周边硅框架不变，膜区的间距在20－ 700μm之间。本发明可利用无掩膜腐蚀工艺实现，且发明在保证器件结构稳定、性能优异的前提下，大大减小了单元器件的间距，从而提高了器件的占空比，有利于器件的大密度集成，同时其具有工艺简单、一致性好、重复性好、成品率高、易批量生产等特点，特别适用于制作大批量高密度的红外热电堆探测阵列。
文档编号G01J1/02GK1588661SQ20041005391
公开日2005年3月2日 申请日期2004年8月20日 优先权日2004年8月20日
发明者李铁, 王翊, 王跃林 申请人:中国科学院上海微系统与信息技术研究所